JP5366772B2 - 温度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度検出装置に関する。

従来より半導体製造工程においては、ウェハが熱処理される工程を多く含んでおり、そのような工程において熱処理されるウェハの温度を検出することが、工程の管理上重要であった。このような要請に対し、例えば、ウェハと同じ面形状を有する治具内部に熱電対を埋め込んだ温度測定装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平２−１１２２５４号公報

上述の熱処理される工程においてはウェハが両面から挟み込まれて加熱される場合がある。しかしながら、従来の温度測定装置は、測定面に対して温度センサが埋め込まれているものの、温度センサの出力を外部に導くケーブルの処理がなされておらず、温度測定装置を挟み込んで用いる用途には適さなかった。

本発明の第１の態様における温度検出装置は、温度センサと、温度センサを収容する空間を外周部に連通させて形成したワークシリコンウェハと、を備える。

本発明の第２の態様における温度検出装置は、温度センサと、互いに重ねあわされる重ね合わせ面に温度センサを収容する空間を形成した、２枚のワークシリコンウェハと、を備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る温度検出装置２００の外観斜視図である。 ワークシリコンウェハ２０１を剥がした状態の、温度検出装置２００の上面外略図である。 ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部４２０の拡大斜視図である。 ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部５２０の拡大斜視図である。 ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部６２０の拡大斜視図である。 ワークシリコンウェハ２０１、２０２に設けた溝部７２０、７２１の拡大斜視図である。 シース型熱電対が配置された空間の断面図である。 シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。 シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。 接着剤を充填する他の箇所の例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る温度検出装置２００の外観斜視図である。温度検出装置２００は、加熱、加圧を受ける２枚のワークシリコンウェハ２０１、２０２を対向させて重ね合わせる構成を採用する。

本実施形態における温度検出装置２００は、ワークシリコンウェハ２０１、２０２の中心部の１点及び周辺部の４点の温度検出領域において温度を検出する。温度検出領域の数および位置は、測定目的に応じて任意に設定され得る。それぞれのワークシリコンウェハ２０１、２０２には、互いに対向する面に溝部が設けられている。これらの溝部は、ワークシリコンウェハ２０１、２０２同士が重ね合わされたときにシース型熱電対を配置するための空間を形成する。各溝部からは、ケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５が引き出されている。引き出されたケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５は、配線ケーブル１９０の一端に設けられたコネクタで一纏めにされる。配線ケーブル１９０の他端に設けられたコネクタは、所定の回路、演算装置等に接続される。

ワークシリコンウェハ２０１、２０２は、形状、材質において、実際のウェハに忠実であることが望ましい。そのため、ワークシリコンウェハ２０１、２０２は、例えば直径２００ｍｍ、厚さ７６０μｍの、規格化されたウェハと同じ外形となるように、単結晶シリコンインゴットからスライス切断して製作する。特に、図示するように、ワークシリコンウェハ２０１、２０２の温度検出面は、平滑化された均質な平面であって、凹凸を発生させる追加加工、別体の構造物の貼着などはなされていないことが好ましい。なお、ワークシリコンウェハ２０１、２０２同士の接着には、シリカ及びアルミナを主成分とする耐熱性に優れた無機質の耐熱セメントが用いられる。

図２は、ワークシリコンウェハ２０１を剥がした状態の、温度検出装置２００の上面外略図である。ワークシリコンウェハ２０２には、５つの温度検出領域に対応してシース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を配置する空間、及びケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５を外部に引き出す空間を形成するために、５つの溝部１４１、１４２、１４３、１４４、１４５が設けられている。

シース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５は、ステンレスシース管の内部に一対の熱電対素線を配置して、シース管中に無機絶縁物を高圧で充填している。これらは、熱電対先端の感温部がステンレスで覆われているので機械的強度にすぐれており、加圧される温度検出装置２００への適用に好ましい。また、シース管内で熱電対に接続され、シース管から外部に導かれるケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５には、耐熱性に優れたシリコン被膜加工がされている。

なお、本実施形態においては、温度センサとして上記のシース型熱電対を例として説明するが、温度センサはこれに限られるものではない。熱電対は異種金属間に発生する熱起電力の現象であるゼーベック効果を利用した温度センサであるが、これ以外にも金属の抵抗値が温度と一定の関係にある現象を利用した測温抵抗体の温度センサ等も利用できる。シース型熱電対の場合は、熱電対がシース管の内部に配置されているので、その外形の高さ方向はシース管の直径となるが、他の温度センサの場合には、例えばセンサ部分とケーブルの接続部が高さ方向の最大値になることもある。この最大値が温度センサの最大厚さとなる。したがって、温度センサを配置する空間のうち２枚のワークシリコンウェハの重ね合わせ方向である高さは、少なくともその温度センサの最大厚さ以上であることが求められる。

また、本実施形態においては、２枚のワークシリコンウェハの間に熱電対を配置する空間を設けているが、例えば、ワークシリコンウェハ２０２にのみシース型熱電対とそのケーブルを外部に引き出すための空間を外周部に連通させて形成し、ワークシリコンウェハ２０１で覆うことなく温度検出装置として構成しても良い。つまり、図２に示す状態において、５つの溝部１４１、１４２、１４３、１４４、１４５にシース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５とケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５を収容して固定し、これを温度検出装置とする。ここで、シース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５およびケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５は、ワークシリコンウェハ２０２の表面から突出することなく溝部１４１、１４２、１４３、１４４、１４５に収容されているので、例えば２枚のウェハホルダに挟持されて利用される場合などに適する。

一方、２枚のワークシリコンウェハの間に熱電対を配置する空間を設ける場合には、加熱される両面に加工を施すことなく温度検出装置を構成することができるので、加熱による温度分布、熱膨張等を十分に考慮した精度の高い温度検出を実現することができる。もちろん２枚のウェハホルダに挟持されて利用される場合においても精度の高い温度検出が期待できる。

次に、ワークシリコンウェハ２０２に設ける、シース型熱電対を配置する空間のバリエーションについて説明する。図３は、ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部４２０の拡大斜視図である。溝部４２０は、外周部から内側へ向かって直線状に設けられており、この溝部４２０にシース型熱電対１３６を矢印方向に挿入する。溝部４２０は直線状であるので、加工が容易である。

図４は、ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部５２０の拡大斜視図である。溝部５２０は、ワークシリコンウェハ２０２の外周部から内側へ向かって、内側へ進むほど幅が狭くなるように設けられており、この溝部５２０にシース型熱電対１３６を矢印方向に挿入する。溝部５２０は、内側へ進むほど幅が狭くなるので、挿入されたシース型熱電対１３６が目標位置でスリットの両側面とはじめて接するように形成すれば、温度検出装置２００の組み立てが容易になる。

図５は、ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部６２０の拡大斜視図である。溝部６２０は、ワークシリコンウェハ２０２の外周部から内側へ向かって、内側へ進むほど浅くなるように設けられており、この溝部６２０にシース型熱電対１３６を矢印方向に挿入する。溝部６２０は、内側へ進むほど浅くなるので、挿入されたシース型熱電対１３６が目標位置で溝部６２０の底面及びワークシリコンウェハ２０１の面とはじめて接するように形成すれば、温度検出装置２００の組み立てが容易になる。なお、図４及び図５で示した空間は、外周部から内側へ向かって狭くなるように作られる空間であるが、例えば溝部６２０の側面についても、内側へ進むほど幅が狭くなるように構成しても良い。また、シース型熱電対１３６のシース管形状に合わせて、溝部及びスリットの壁面が円弧状になるように構成しても良い。

上記の説明において、シース型熱電対を配置する空間は、ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部の壁面と、ワークシリコンウェハ２０１の接着面側の平面に囲まれた空間である。このように一方のワークシリコンウェハにのみ溝部を形成すれば、より温度検出装置の製作が容易となる。このときシース管を収容する溝部の深さは、シース管の直径以上であれば良い。

または、ワークシリコンウェハ２０１及びワークシリコンウェハ２０２の両方に溝部を形成しても良い。図６は、ワークシリコンウェハ２０１、２０２に設けた溝部７２０、７２１の拡大斜視図である。図示するように、ワークシリコンウェハ２０１に溝部７２０を設け、ワークシリコンウェハ２０２に溝部７２１を設ける。それぞれの溝部７２０、７２１の深さは、ワークシリコンウェハ２０１、２０２を互いに重ね合わせたときに形成される空間としての高さが、シース型熱電対１３６のシース管の直径より大きくなるように設定する。例えば、ワークシリコンウェハ２０１、２０２の製作のしやすさを考慮して、共にシース管の半径と等しくなるように、溝部の深さを設定すると良い。この場合、温度検出装置２００をワークシリコンウェハ２０１、２０２の表面に対して、厚み方向に対称に製作することができるので、温度検出面の違いによる熱分布の偏りが生じにくい。

次に、上記のように形成された空間内に、シース型熱電対を固定する方法について説明する。図７は、シース型熱電対が配置された空間の断面図である。例えば、ワークシリコンウェハ２０１の平面と、ワークシリコンウェハ２０２に設けられた溝部に囲まれて形成された空間に配置されたシース型熱電対１３７は、ワークシリコンウェハ２０１側に接するように寄せられて、少なくともシース管が密封されるように、その隙間が充填材９１０により充填される。充填材９１０は、ワークシリコンウェハ２０１、２０２と同等の熱膨張係数を有するシリコン系樹脂が用いられる。このようにして、シース型熱電対１３７は空間内部で固定される。

固定方法は上記に限らない。図８は、シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。ここでは充填材９１０を用いる代わりに、付勢部材９１１を用いて、シース型熱電対１３７をワークシリコンウェハ２０１側に押し付けることにより固定する。付勢部材９１１としては、スプリングコイル、板バネ、耐熱性ゴム等を用いることができる。なお、シース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を収容する工程は、ワークシリコンウェハ２０１、２０２の接合工程の前に行っても、後に行っても良い。

シース型熱電対の空間への配置は、上記に限らない。図９は、シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。シース型熱電対１３７は、図示するようにシース管１５１の内部に一対の熱電対素線１５２を収めて構成されている。

シース型熱電対１３７を空間に配置しようとする場合、シース管１５１の直径Ｄは、ワークシリコンウェハ２０２に設けた溝部の高さｔよりも小さくなければならない。しかしながら、用いたいシース型熱電対が常にこの条件を満たすとは限らない。そのような場合であっても、熱電対素線１５２が外部に露出しない程度にシース管１５１をカットすれば、空間に収めることができる場合がある。具体的には、シース管１５１の内径をｄとしたときに、（Ｄ＋ｄ）／２がｔよりも小さければ、熱電対素線１５２を外部に露出させないように肉厚を残して、シース管１５１の一部をカットすることができる。

このように予め加工されたシース型熱電対１３７を用いれば、ワークシリコンウェハ２０２の溝部にこのシース型熱電対１３７を収容し、その上からワークシリコンウェハ２０１を覆い被せて温度検出装置２００を完成させることができる。このように構成することにより、シース型熱電対１３７は、上下のワークシリコンウェハ２０１、２０２の両方と密着するので、より正確に温度を測定することができる。なお溝部は、ワークシリコンウェハ２０２側だけでなく、ワークシリコンウェハ２０１側にも設けて、合わせて高さがｔとなるようにしても良い。

また、上記においては、ワークシリコンウェハ２０１、２０２を互いに接着するときに、それぞれの接触面に接着剤としての耐熱セメントを介在させる例を説明したが、これに限らない。図１０は、接着剤を充填する他の箇所の例を示す図である。図示するように、それぞれのウェハの接触面に対する周縁部を面取りし、面取りされて生じたＶ溝空間３１０に接着剤を充填する。このように接着すれば、接触面に接着剤を塗布した場合の厚みむらによる平面度の低下を回避できる。また、Ｖ溝空間３１０は接着剤の充填空間として機能するので、接触面間に塗布する場合に比較して、体積の大きい接着剤を利用することができる。なお、接着剤は重ね合わせたワークシリコンウェハ２０１、２０２の外周円からはみ出さないことが好ましい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

２００ 温度検出装置、２０１、２０２ ワークシリコンウェハ、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ ケーブル、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７ シース型熱電対、１９０ 配線ケーブル、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、４２０、５２０、６２０ 溝部、１５１ シース管、１５２ 熱電対素線、９１０ 充填材、９１１ 付勢部材

Claims (15)

1. 温度センサと、
   前記温度センサを収容する空間を外周部に連通させて形成したワークウェハと、
   を備え、
   前記空間は、前記外周部から内側へ向かって狭くなり、前記温度センサは、設置目標位置において前記空間の内面と接する温度検出装置。
2. 前記空間は充填材で密封されている請求項１に記載の温度検出装置。
3. 温度センサと、
   互いに重ねあわされる重ね合わせ面に前記温度センサを収容する空間を形成した、２枚のワークウェハと、
   を備え、
   前記空間は、外周部から内側へ向かって狭くなり、前記温度センサは、設置目標位置において前記空間の内面と接する温度検出装置。
4. 前記空間は、外周部から内側へ向かって、前記２枚のワークウェハの重ね合わせ方向である高さが小さくなるように狭くなる請求項３に記載の温度検出装置。
5. 前記空間は、外周部から内側へ向かって、前記２枚のワークウェハの重ね合わせ方向に直交する方向である幅が小さくなるように狭くなる請求項３または４に記載の温度検出装置。
6. 前記２枚のワークウェハのうち一方の重ね合わせ面に、前記空間を形成する溝部を設ける請求項３から５のいずれか１項に記載の温度検出装置。
7. 前記２枚のワークウェハの両方の重ね合わせ面に、前記空間を形成する溝部をそれぞれ同じ深さで設ける請求項３から５のいずれか１項に記載の温度検出装置。
8. 前記温度センサと前記２枚のワークウェハとの隙間が充填材で密封される請求項３から７のいずれか１項に記載の温度検出装置。
9. 前記温度センサを前記２枚のワークウェハのいずれかの面に付勢する付勢部材を前記空間に備える請求項３から８のいずれか１項に記載の温度検出装置。
10. 前記温度センサは、熱電対であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の温度検出装置。
11. 前記熱電対は、シース管と、前記シース管の内部に少なくとも一対の熱電対素線を配置してなるシース型熱電対であることを特徴とする請求項１０に記載の温度検出装置。
12. 前記シース管は、前記空間の形状に合わせて、かつ、前記一対の熱電対素線が外部空間に露出しないように、一部がカットされていることを特徴とする請求項１１に記載の温度検出装置。
13. 前記温度センサに接続されたケーブルを備え、
    前記ケーブルは、前記空間内に収容されており、前記空間内から外周部を経て前記ワークウェハの外部に引き出されている請求項１から１２のいずれか１項に記載の温度検出装置。
14. 前記ワークウェハの形状は、半導体製造工程において両面から挟み込まれて熱処理されるウェハの形状と同一である請求項１から１３のいずれか１項に記載の温度検出装置。
15. 前記ワークウェハの材質は、半導体製造工程において両面から挟み込まれて熱処理されるウェハの材質と同一である請求項１から１４のいずれか１項に記載の温度検出装置。

Images